CN110837213B - 用于激光干涉光刻系统的相位测量装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学仪器仪表技术领域，提供了一种用于激光干涉光刻系统的相位测量装置及其使用方法，包括第一波片、第一偏振分光棱镜、第四波片、后向反射镜、第三波片、反射镜、第二波片、偏振片、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器和基座；所述第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜、第一光电探测器和第二光电探测器固定在基座上，第一波片、第二波片、第三波片及第四波片分别设置在第一偏振分光棱镜四周，偏振片与第三偏振分光棱镜出射面，后向反射镜在第四波片外侧，反射镜在第三波片外侧，组成相位测量的光路系统。干涉测量信号经解算得到测量光相位，用于变周期的干涉曝光的条纹控制。

Description

用于激光干涉光刻系统的相位测量装置及其使用方法

技术领域

本发明属于光学仪器仪表技术领域，特别涉及一种用于激光干涉光刻系统的相位测量装置及其使用方法。

背景技术

光栅器件作为大型天文望远镜、惯性约束核聚变激光点火系统、光刻系统等重大工程系统中的关键器件，近年来对尺寸、栅线密度、精度等要求不断提高，同时，光栅的应用类型也不在局限于一维光栅，还包括二维光栅、弯曲光栅、变周期光栅等。光栅制造正在向米级尺寸、纳米级精度、亚万级栅线密度的量级迈进，多样化高精度密栅线的大尺寸光栅的制造成为了光栅制造领域的亟需解决的热点问题。

机械刻划、激光直写、机械拼接等传统光栅制造技术均存在不同的技术缺陷，机械刻划主要缺点包括大面积制造精度低、加工周期长、制造的光栅存在鬼线等，激光直写主要缺点包括大面积制造精度低、加工周期长等，机械拼接则存在拼接精度差、拼接过程复杂、成本昂贵等缺点。因此，上述量级光栅的制造难以通过传统技术来实现。激光干涉光刻技术是一种利用两束或者多束激光干涉产生的周期性图形曝光感光基底制造微纳阵列器件的重要技术，主要应用于制造特征尺寸低于亚波长的柱阵、光栅、孔阵、点阵、微透镜阵列等器件，这些微阵列器件广泛应用于国防、民生、科研等领域。通过激光干涉光刻技术可实现密栅线高精度、且加工周期短的大面积光栅制造，激光干涉光刻技术也逐步成为了大面积高精度光栅制造技术中的主流。干涉光刻技术在大面积高精度光栅制造的应用中的主要难点为干涉光刻系统的研发。决定干涉光刻系统中图形锁定精度的是干涉图形相位锁定系统，其中的关键模块为相位测量装置。针对高精度干涉光刻系统的研发，多个光栅制造系统公司及研究机构展开了一系列的研究，研究主要集中于高精度干涉光刻系统，对于相位测量装置的研究成果在诸多专利中均有揭露。

University of Texas at Arlington的学者提出了一种较为常用的干涉图形相位锁定系统。系统利用从两曝光光束引出的光重合入射至CCD(Charge-coupled Device)形成干涉条纹，CCD通过监测空间干涉条纹图像的移动来获取基底处干涉图形的漂移量，并将漂移量作为反馈输入至控制器，控制器控制压电陶瓷驱动反射镜座调节干涉图形相位，从而实现干涉图形的锁定，最终获取较好的曝光质量。传感器采用CCD接受光信号并进行光电转换，由于CCD分辨率与帧率的限制，难以做到高速高精度的相位调制，并不能满足高精度光栅图形的制作要求。

MIT的学者提出了一种基于零差相位测量干涉仪相位锁定系统方案。曝光光源经分光反射光路在基底处形成干涉图形。为防止干涉图形漂移，系统利用基地附近的分光镜分别提取左右曝光光束形成两路具有180°相差的干涉信号，干涉信号通过光电转换后作差放大得到电压信号。干涉图形受外界干扰影响发生相位漂移而引起电压信号变化，以电压信号作为反馈来控制电光调制器EOM(Electro-optic Modulator)调节干涉图形相位来保持电压稳定，从而实现干涉图形的锁定。锁定系统采用光电探测器作为光电转换，所用双通道零差相位测量干涉仪的测量信号为直流信号，其抗干扰能力较差不易实现高精度测量，相位求解、细分及判向也都较为困难，并非最优选择。

麻省理工学院在美国专利US6,882,477B1中公开了一种扫描激光干涉光刻系统，该光刻系统利用两束经准直后的小尺寸光束干涉形成干涉图形曝光作步进扫描运动的基底实现大面积光栅制作，经准直后的小尺寸光束干涉有效的消除了干涉图形的相位非线性误差；同时，为防止系统干涉图形相对于运动的基底平台发生相位漂移引起误差，该光刻系统列举了一种基于外差测量原理的图形锁定装置，该装置通过在干涉光路中布置三个声光调制器产生外差相位测量的频差，利用光束采样器采样干涉光束至外差相位计进行图形相位检测，检测的相位反馈至控制器控制声光调制器调制相位实现图形锁定；外差测量方式具有高速、高精度等图形相位锁定的优点，但利用该结构进行变周期光栅制造时，曝光光束的偏移会使测量光束光斑分离，无法对变周期光栅制造的干涉曝光系统实现实时的条纹控制。

综上所述，现有技术中的相位测量设备存在以下问题：CCD分辨率与帧率的限制，难以做到高速高精度的相位调制；零差相位测量干涉仪抗干扰能力较差；现有外差测量干涉仪无法对变周期光栅制造的干涉曝光系统实现条纹控制；即现有技术中的相位测量均存在一定的局限性，无法实现对变周期干涉曝光系统的相位测量及完成在制作变周期光栅过程中的条纹控制。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于激光干涉光刻系统的相位测量装置，包括第一波片、第一偏振分光棱镜、第四波片、后向反射镜、第三波片、反射镜、第二波片、偏振片、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器和基座；所述第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜固定在基座上，且第一偏振分光棱镜的出射面与第三偏振分光棱镜的一个入射面相邻，第二偏振分光棱镜的出射面与第三偏振分光棱镜的另一个入射面相邻；第一光电探测器和第二光电探测器位于第三偏振分光棱镜的出射面方向固定在基座上；

所述第一波片的快轴方向与第一偏振分光棱镜边缘呈45°角设置在第一偏振分光棱镜的一个入射面，且第一波片边缘与第一偏振分光棱镜入射面直角边相切；所述后向反射镜的边线方向与第一偏振分光棱镜底部边线垂直设置在第一偏振分光棱镜的另一入射面；所述第四波片的快轴方向与第一偏振分光棱镜边缘呈45°角设置在第一偏振分光棱镜和后向反射镜之间；所述第三波片的快轴方向与第一偏振分光棱镜边缘呈45°角设置在第一偏振分光棱镜的一个出射面，且第三波片与第一波片同轴；所述反射镜与第三波片同轴设置在背离第一偏振分光棱的第三波片镜外侧；所述第二波片设置在第一偏振分光棱镜与第三偏振分光棱镜之间，且位于经反射镜反射、第三波片透射和第一偏振分光棱镜反射后的光束线路上，第二波片的边缘与第一偏振分光棱镜的出射面直角边相切；偏振片的偏振方向与第三偏振分光棱镜呈45°角设置在第三偏振分光棱镜的出射面。

优选地，还包括外壳，所述外壳罩着第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜并固定在基座。

优选地，所述基座的上表面设置第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜的安装凹槽，第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜固定在基座的凹槽上。进一步地，所述基座上的第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜的安装凹槽采用六点定位方法加工定位。

优选地，所述第一波片、第三波片和第四波片都是四分之一波片。

优选地，所述第二波片为二分之一波片。

优选地，所述第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜分别与基座通过速干胶粘接。

优选地，所述第一波片、第四波片、第三波片及第二波片分别与第一偏振分光棱镜通过范德华力粘接，偏振片与第三偏振分光棱镜通过范德华力粘接。

优选地，所述后向反射镜与第四波片通过紫外固化胶粘接；所述反射镜与第三波片通过紫外固化胶粘接。

还提供了上述用于激光干涉光刻系统的相位测量装置的使用方法，参考光附加频率为120MHz、以s偏振态入射第一波片透射至第一偏振分光棱镜入射面，经第一偏振分光棱镜后的反射光以s偏振态依次经过第四波片、后向反射镜反射、第四波片后变为p偏振态，再经过第一偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜和偏振片透射形成第一路参考光；经第一偏振分光棱镜后的透射光依次经过第三波片透射、反射镜反射和第三波片透射后变为s偏振态，然后经过第一偏振分光棱镜反射至第二波片透射后变为p偏振态，再经过第三偏振分光棱镜和偏振片透射形成第二路参考光；

第一路测量光附加频率为100MHz、以s偏振态入第二偏振分光棱镜的入射面，依次经过第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜反射到偏振片透射，与第一路参考光干涉形成第一测量信号入射第一光电探测器输出；第二路测量光附加频率为100MHz、以s偏振态入第二偏振分光棱镜的入射面，依次经过第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜反射到偏振片透射，与第二路参考光干涉形成第二路测量信号入射第二光电探测器输出；解算输出的第一测量信号和第二路测量信号得到第一路测量光和第二路测量光的相位。

采用上述用于激光干涉光刻系统的相位测量装置及其使用方法，得到的第一测量信号和第二路测量信号的频率相同，均为20MHz频差的干涉信号；当激光干涉光刻曝光周期改变时，第一路测量光与第二路测量光间距改变，同时向偏振分光镜中心或边缘偏移，参考光向偏振分光镜中心或边缘偏移相同距离，保证输出的测量信号始终保持合束，信号强度并不会随之改变，由此完成对激光干涉光刻变周期曝光的实时条纹控制。

光路为采用一种外差测量方法，外差测量光束(参考光)分别与两束测量光束形成两路同频差干涉信号，包含两束测量光相位信息与外差光束相位信息，通过位移解算消除外差相位并获得两束测量光相位数据。

本发明的相位测量装置可用于变周期的干涉曝光系统，该相位测量装置利用一种基于外差测量原理的条纹控制方案，实现对变周期干涉曝光系统的条纹控制。该相位测量装置具有高速高精度的测量优点，且光路结构简洁、激光利用率高。是制造变周期光栅的光刻系统中不可或缺的关键仪器设备。该装置具有高速高精度的测量优点，采用高度集成化结构，光路结构简洁、激光利用率高。

附图说明

图1为本发明的用于激光干涉光刻系统的相位测量装置的立体示意图；

图2为图1实施例打开外壳后的结构示意图。

图中：1-外壳，2-基座，301-第一偏振分光棱镜，302-第一波片，303-第四波片，304-后向反射镜，305-第三波片，306-反射镜，307-第二波片，308-第二偏振分光棱镜，309-偏振片，310-第三偏振分光棱镜，312-第一光电探测器，313-第二光电探测器，314-参考光，315-第一路测量光，316-第二路测量光。

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明为解决技术问题所采取的技术手段及功效，以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，需要说明的是所提供的附图是示意性的，相互间并没有完全按照尺寸或者比例绘制，因此附图和具体实施例并不作为本发明要求的保护范围限定。

如图1所示的用于激光干涉光刻系统的相位测量装置可选实施例，该装置为方形盒体状，其中的光路系统器件在由外壳1和基座2形成的盒体内，第一光电探测器312和第二光电探测器313伸出盒体外，外壳1以螺丝与基座2固定连接，第一光电探测器312和第二光电探测器313可接收第三偏振分光棱镜310经偏振片透射后的干涉测量信号，即第一光电探测器312接收第一测量信号，第二光电探测器313接收第二测量信号，输送到解算系统。

如图2所示的相位测量装置，由图1所示的实施例去除外壳1，包括第一波片302、第一偏振分光棱镜301、第四波片303、后向反射镜304、第三波片305、反射镜306、第二波片307、偏振片309、第二偏振分光棱镜308、第三偏振分光棱镜310、第一光电探测器312、第二光电探测器313和基座2；所述第一偏振分光棱镜301、第二偏振分光棱镜308和第三偏振分光棱镜310固定在基座2上，且第一偏振分光棱镜301的出射面与第三偏振分光棱镜310的一个入射面相邻，第二偏振分光棱镜308的出射面与第三偏振分光棱镜310的另一个入射面相邻；第一光电探测器312和第二光电探测器313位于第三偏振分光棱镜310的出射面方向固定在基座2上；

所述第一波片302的快轴方向与第一偏振分光棱镜301边缘呈45°角设置在第一偏振分光棱镜301的一个入射面，且第一波片302边缘与第一偏振分光棱镜301入射面直角边相切；所述后向反射镜304的边线方向与第一偏振分光棱镜301底部边线垂直设置在第一偏振分光棱镜301的另一入射面；所述第四波片303的快轴方向与第一偏振分光棱镜301边缘呈45°角设置在第一偏振分光棱镜301和后向反射镜304之间；所述第三波片305的快轴方向与第一偏振分光棱镜301边缘呈45°角设置在第一偏振分光棱镜301的一个出射面，且第三波片305与第一波片302同轴；所述反射镜306与第三波片305同轴设置在背离第一偏振分光棱301的第三波片305外侧；所述第二波片307设置在第一偏振分光棱镜301与第三偏振分光棱镜310之间，且位于经反射镜306反射、第三波片305透射和第一偏振分光棱镜301反射后的光束线路上，第二波片307的边缘与第一偏振分光棱镜301的出射面直角边相切；偏振片309的偏振方向与第三偏振分光棱镜310呈45°角设置在第三偏振分光棱镜310的出射面。本实施例中的第一波片302、第三波片305和第四波片303都是四分之一波片，第二波片307为二分之一波片，第一波片302、第二波片307、第三波片305及第四波片303分别与第一偏振分光棱镜301通过范德华力粘接，偏振片309与第三偏振分光棱镜310通过范德华力粘接，后向反射镜304与第四波片303通过紫外固化胶粘接；所述反射镜306与第三波片305通过紫外固化胶粘接。

可以在基座2的上表面分别设置第一偏振分光棱镜301、第二偏振分光棱镜308和第三偏振分光棱镜310的安装凹槽，三个凹槽呈直角三角形布置，其中第三偏振分光棱镜310位于直角点，凹槽采用六点定位方法加工定位，提高定位精度，保证内部镜组相对位置的高精度，然后把第一偏振分光棱镜301、第二偏振分光棱镜308和第三偏振分光棱镜310固定在对应的凹槽上，通过速干胶分别以底面粘接在基座凹槽中。

上述的相位测量装置用于激光干涉光刻系统使用时，用参考光314附加频率为120MHz、以s偏振态经过第一波片302透射变为圆偏振态入射至第一偏振分光棱镜301，第一偏振分光棱镜301的反射光以s偏振态经过第四波片303透射、后向反射镜304反射、第四波片303透射后变为p偏振态经过第一偏振分光棱镜301、第三偏振分光棱镜310及偏振片309透射形成第一路参考光；第一偏振分光棱镜301的透射光经过第三波片305透射、反射镜306反射、第三波片305透射后变为s偏振态经过第一偏振分光棱镜301反射至第二波片307透射后变为p偏振态，经过第三偏振分光棱镜310和偏振片309透射形成第二路参考光；第一路测量光315、第二路测量光316附加频率均为100MHz、以s偏振态平行从第二偏振分光棱镜308的入射面入射，依次经过第二偏振分光棱镜308反射、第三偏振分光棱镜310反射、偏振片309透射后，再分别与第一路参考光和第二路参考光干涉形成第一测量信号和第二测量信号，两束测量信号分别入射第一光电探测器312和第二光电探测器313变为电信号形式输送解算可得到光束相位。两束干涉测量信号频率相同，均为20MHz频差的干涉信号；当激光干涉光刻曝光周期改变时，第一路测量光315与第二路测量光316间距改变，同时向偏振分光镜中心或边缘偏移，参考光314向偏振分光镜中心或边缘偏移相同距离，可保证输出的测量信号始终保持合束，信号强度并不会随之改变，由此完成对激光干涉光刻变周期曝光的实时条纹控制。

上述快轴方向指波片中传播速度快的光矢量方向。范德华力又称范德瓦尔斯力(van der Waals force)，指分子间作用力。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于激光干涉光刻系统的相位测量装置，其特征在于，包括第一波片、第一偏振分光棱镜、第四波片、后向反射镜、第三波片、反射镜、第二波片、偏振片、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器和基座；所述第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜固定在基座上，且第一偏振分光棱镜的出射面与第三偏振分光棱镜的一个入射面相邻，第二偏振分光棱镜的出射面与第三偏振分光棱镜的另一个入射面相邻；第一光电探测器和第二光电探测器位于第三偏振分光棱镜的出射面方向固定在基座上；

所述第一波片的快轴方向与第一偏振分光棱镜边缘呈45°角设置在第一偏振分光棱镜的一个入射面，且第一波片边缘与第一偏振分光棱镜入射面直角边相切；所述后向反射镜的边线方向与第一偏振分光棱镜底部边线垂直设置在第一偏振分光棱镜的另一入射面；所述第四波片的快轴方向与第一偏振分光棱镜边缘呈45°角设置在第一偏振分光棱镜和后向反射镜之间；所述第三波片的快轴方向与第一偏振分光棱镜边缘呈45°角设置在第一偏振分光棱镜的一个出射面，且第三波片与第一波片同轴；所述反射镜与第三波片同轴设置在背离第一偏振分光棱镜的第三波片外侧；所述第二波片设置在第一偏振分光棱镜与第三偏振分光棱镜之间，且位于经反射镜反射、第三波片透射和第一偏振分光棱镜反射后的光束线路上，第二波片的边缘与第一偏振分光棱镜的出射面直角边相切；偏振片的偏振方向与第三偏振分光棱镜呈45°角设置在第三偏振分光棱镜的出射面，

其中，所述第一波片、第三波片和第四波片都是四分之一波片，所述第二波片为二分之一波片，

其中，参考光以s偏振态入射第一波片透射至第一偏振分光棱镜入射面，经第一偏振分光棱镜后的反射光以s偏振态依次经过第四波片、后向反射镜反射、第四波片后变为p偏振态，再经过第一偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜和偏振片透射形成第一路参考光；经第一偏振分光棱镜后的透射光依次经过第三波片透射、反射镜反射和第三波片透射后变为s偏振态，然后经过第一偏振分光棱镜反射至第二波片透射后变为p偏振态，再经过第三偏振分光棱镜和偏振片透射形成第二路参考光；

第一路测量光以s偏振态入第二偏振分光棱镜的入射面，依次经过第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜反射到偏振片透射，与第一路参考光干涉形成第一测量信号入射第一光电探测器输出；第二路测量光以s偏振态入第二偏振分光棱镜的入射面，依次经过第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜反射到偏振片透射，与第二路参考光干涉形成第二路测量信号入射第二光电探测器输出。

2.根据权利要求1所述的用于激光干涉光刻系统的相位测量装置，其特征在于，还包括外壳，所述外壳罩着第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜并固定在基座。

3.根据权利要求1所述的用于激光干涉光刻系统的相位测量装置，其特征在于，所述基座的上表面设置第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜的安装凹槽，第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜固定在基座的凹槽上。

4.根据权利要求3所述的用于激光干涉光刻系统的相位测量装置，其特征在于，所述基座上的第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜的安装凹槽采用六点定位方法加工定位。

5.根据权利要求1所述的用于激光干涉光刻系统的相位测量装置，其特征在于，所述第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜分别与基座通过速干胶粘接。

6.根据权利要求1所述的用于激光干涉光刻系统的相位测量装置，其特征在于，所述第一波片、第二波片、第三波片及第四波片分别与第一偏振分光棱镜通过范德华力粘接，偏振片与第三偏振分光棱镜通过范德华力粘接。

7.根据权利要求1所述的用于激光干涉光刻系统的相位测量装置，其特征在于，所述后向反射镜与第四波片通过紫外固化胶粘接；所述反射镜与第三波片通过紫外固化胶粘接。

8.一种用于激光干涉光刻系统的相位测量装置的使用方法，其特征在于，参考光附加频率为120MHz、以s偏振态入射第一波片透射至第一偏振分光棱镜入射面，经第一偏振分光棱镜后的反射光以s偏振态依次经过第四波片、后向反射镜反射、第四波片后变为p偏振态，再经过第一偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜和偏振片透射形成第一路参考光；经第一偏振分光棱镜后的透射光依次经过第三波片透射、反射镜反射和第三波片透射后变为s偏振态，然后经过第一偏振分光棱镜反射至第二波片透射后变为p偏振态，再经过第三偏振分光棱镜和偏振片透射形成第二路参考光；

第一路测量光附加频率为100MHz、以s偏振态入第二偏振分光棱镜的入射面，依次经过第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜反射到偏振片透射，与第一路参考光干涉形成第一测量信号入射第一光电探测器输出；第二路测量光附加频率为100MHz、以s偏振态入第二偏振分光棱镜的入射面，依次经过第二偏振分光棱镜和第三偏振分光棱镜反射到偏振片透射，与第二路参考光干涉形成第二路测量信号入射第二光电探测器输出；解算输出的第一测量信号和第二路测量信号得到第一路测量光和第二路测量光的相位。

Images